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Leuchtdioden und die menschliche Farbwahrnehmung Satte Farben mit LEDs

30.06.2017

Jahrelang war die hohe Effizienz von LEDs das schlagende Argument für deren Einsatz. Mittlerweile steht zunehmend auch eine exakte Farbwiedergabe im Zentrum des Interesses. Die Bereitstellung der dafür erforderlichen Lichtspektren stellt Entwickler vor große Herausforderungen.

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Die Art und Qualität einer Lichtquelle beeinflussen, wie ein Betrachter eine Farbe wahrnimmt. Zur Beschreibung der durchschnittlichen menschlichen Farbwahrnehmung führte die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) schon 1931 eine Untersuchung durch. Die Teilnehmer sollten die Helligkeit je einer roten, grünen und blauen Leuchte verstellen, um das daraus gemischte Licht auf einer weißen Fläche mit einer Reihe von Farbtafeln in Einklang zu bringen. Ausgehend von den Ergebnissen definierte die CIE einen Normalbeobachter-Farbraum, der den vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbtönen Werte für Rot, Grün und Blau zuordnet.

Zur Bewertung der Farbtreue von Lichtquellen spielen Referenztafeln immer noch eine Schlüsselrolle. Die Farbtreue wird als sogenannter Farbwiedergabewert Ra ausgewiesen, manchmal auch Color Rendering Index (CRI) genannt. Die notwendige Güte der Farbwiedergabe in Arbeitsräumen legt die Norm DIN EN 12464 fest. Der Idealwert ist der unter Tageslicht gegebene Indexwert Ra = 100. Für Innenräume schreibt die Norm Leuchten mit einem Farbwiedergabeindex von mindestens 80 vor. Für feste, ständig genutzte Arbeitsplätze muss eine noch zuverlässigere Erkennbarkeit aller Farben sichergestellt werden.

LEDs sind quasimonochromatische Halbleiterbauelemente, die in einem sehr schmalen spektralen Bereich rotes, grünes oder blaues Licht mit hoher Farbsättigung emittieren. Ein Objekt ist jedoch nur farblich korrekt wahrnehmbar, wenn es Licht ausgesetzt ist, das die Wellenlängen unterschiedlichster Farben abdeckt. Fehlen spektrale Bereiche, lassen sich diejenigen Farben, deren Wellenlänge nicht im emittierten Licht enthalten ist, nur verfälscht als Schattierungen wahrnehmen. Man sagt dann, das betrachtete Objekt habe eine Gelbstich beziehungsweise einen Rotstich. Klassische Glühlampen emittieren, ähnlich wie die Sonne, Strahlung mit einem kontinuierlichen Farbspektrum, das den gesamten sichtbaren Bereich einschließt und sich bis ins Infrarot erstreckt. Dadurch erreichen sie eine Farbwiedergabe mit Ra = 100. Sie sind also mit natürlichem Tageslicht vergleichbar.

Farbechtheit trotz beschränktem Spektrum

Der Farbwiedergabewert von LEDs beträgt hingegen immer unter 100. Im zweidimensional visualisierten CIExy-Farbraum liegen die Wellenlängen der in LEDs eingesetzten Halbleitermaterialien in der Nähe der geschwungenen Außenflanken. Sie erreichen also keine Farborte, die sich weiter innen im Diagramm befinden. Um das Wellenspektrum von LEDs zu erweitern und die gewünschte Weißlichtemission zu ermöglichen, muss ihnen erst ein Konversionsstoff zugesetzt werden. Zum Beispiel kann der Halbleiter einer blauen LED mit einem zumeist gelben Leuchtstoff beschichtet werden. Mittlerweile ermöglicht die Kombination aus LEDs und modernen Leuchtstoffen ein breitbandiges weißes Licht mit Farbwiedergabewerten bis über 90.

Der Farbwiedergabewert ist allerdings nicht das einzige Qualitätsmerkmal für Weißlicht. Auch die sogenannte Farbtemperatur spielt eine wichtige Rolle. Die Farbtemperatur von Licht wird in der üblichen Temperatureinheit Kelvin (K) angegeben. Ihr Konzept leitet sich von der thermischen Abstrahlung eines idealen Schwarzkörpers ab. Ein solcher Körper absorbiert sämtliche eintreffende Strahlung. Insbesondere reflektiert er keinerlei elektromagnetische Strahlung. Im Gegenzug emittiert er Wärmestrahlung, deren spektrale Verteilung charakteristisch für seine jeweilige Temperatur ist. Bei Raumtemperatur liegt sein Strahlungsspektrum komplett außerhalb des sichtbaren Bereichs. Ab Temperaturen von etwa 900 K emittiert er jedoch auch sichtbares Licht. Die Farbtemperatur einer Lichtquelle entspricht derjenigen Temperatur eines Schwarzkörpers, bei der dessen emittierte Wärmestrahlung dem zu untersuchenden Licht am ähnlichsten ist.

Immer häufiger werden Weißlichtquellen entsprechend ihrer Farbtemperatur ausgesucht. Weißlicht mit hohen Farbtemperaturen wird vom menschlichen Auge als kälter empfunden. Weißlicht mit einer geringeren Farbtemperatur, beispielsweise das Licht von Kerzen oder Glühlampen, fühlt sich wärmer an. Je nach Leuchtstoffcharakteristik lässt sich mit modernen LEDs sowohl warmes als auch kälteres Weißlicht erzeugen. Letzteres wird häufig an Arbeitsplätzen oder in Werkshallen bevorzugt. Es gibt sogar Beleuchtungslösungen, die je nach Bedarf Weißlicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zur Verfügung stellen, sogenanntes „Tunable White“.

Verwirrende Bezeichnungen der Farbtemperatur

Bei marktüblichen LED-Leuchten für die Industrie sind die Wahlmöglichkeiten bezüglich der Farbtemperatur allerdings noch recht begrenzt. Viele Leuchten werden mit einer oder maximal zwei verschiedenen Temperaturen angeboten. Die Norm EN 12464 definiert für sogenanntes Neutralweiß Farbtemperaturen von 3300 bis 5300 K, nennt Temperaturen unter 3300 K Warmweiß und solche über 5300 K Kaltweiß. Leuchtmittelhersteller verwenden dieselben Bezeichnungen mitunter aber auch für abweichende Temperaturbereiche. Die beste Orientierung bietet daher immer die Farbtemperaturangabe in Kelvin. Sie muss auf jedem LED-Produkt verzeichnet werden. Die Standard-Farbtemperatur für LED-Leuchten von R. Stahl beträgt beispielsweise 5000 K. Für alle Produkte aus dem Sortiment von R. Stahl stehen grundsätzlich drei Farbtemperaturen zur Auswahl: Neben Neutralweiß (5000 K) gibt es ein Kaltweiß (6500 K) und eine wärmere Variante (4000 K). Der Farbwiedergabewert Ra liegt durchweg bei 80 oder mehr. Damit sind die Anforderungen der Norm DIN EN 12464-1 erfüllt.

Güteklassenmerkmale für LED-Lichtfarben

LEDs sind produktionsbedingten Qualitätsschwankungen unterworfen und müssen deshalb sortiert werden. Für die Selektion werden sogenannte Bins (Behälter) definiert, denen unterschiedliche Kriterien wie zum Beispiel Lichtstrom, Flussspannung oder der Farbort im CIExy-Farbraum zugewiesen werden. Da das Emissionsspektrum einer weiß strahlenden LED nicht genau auf der Schwarzkörperkurve liegt, können zwischen LEDs mit derselben Farbtemperatur dennoch (mehr oder weniger störende) Farbunterschiede auftreten. Um ein einheitliches Leuchtverhalten zu gewährleisten, sollten in LED-Arrays möglichst nur Leuchtdioden aus derselben Farb-Bin eingesetzt werden.

Vom Physiker David MacAdam stammt die Idee, das CIExy-Diagramm in Bereiche zu unterteilen, in denen Abweichungen der Farborte schrittweise immer auffälliger werden. Dabei wird deutlich, dass sich der Toleranzbereich mit geringen Abweichungen gegenüber einem Bezugspunkt nicht gleichmäßig rund, sondern ellipsenförmig um den Punkt verteilt. Als Maßzahl für die Homogenität einer Lichtquelle eignen sich deshalb Ellipsen mit zunehmendem Umfang, die sogenannten 1- bis 7-Step-MacAdam-Ellipsen. Diese Schrittweite wird in der Produktinformation einer LED angegeben. Aus praktischen Gründen erfolgt die Sortierung allerdings oft nicht direkt nach MacAdam-Ellipsen, sondern über sogenannte ANSI-Bins. Dabei wird aber auf die MacAdam-Schrittweite Bezug genommen.

Bildergalerie

  • Im zweidimensional visualisierten CIExy-Farb-
    raum (die fehlende dritte Dimension enthält die Helligkeitsinformation) liegen die Farb-
    orte monochromatischer LEDs nahe an den geschwungenen Außenflanken. Die Tc-Kurve durch Weißpunkte verzeichnet Farbtemperaturen eines idealen Schwarzkörperstrahlers.

    Bild: R. Stahl

  • MacAdam-Ellipsen definieren Bereiche um einen Bezugspunkt, die farblich als ähnlich wahrgenommen werden. Mit ihrer Hilfe lassen sich LEDs gemäß der Homogenität ihres Farbortes sortieren.

    Bild: R. Stahl

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